大型橋梁施工事故和施工力學(xué)若干問(wèn)題

陸旭日，蔣燦燦

(浙江正方交通建設(shè)有限公司，金華 321025)

大型橋梁施工事故和施工力學(xué)若干問(wèn)題

陸旭日，蔣燦燦

(浙江正方交通建設(shè)有限公司，金華 321025)

該文在分析了我國(guó)近年來(lái)發(fā)生的幾起橋梁施工事故基礎(chǔ)上，研究了事故發(fā)生的原因，提出了質(zhì)量控制的一些建議，并且總結(jié)了施工中應(yīng)注意的力學(xué)問(wèn)題。

大型橋梁； 施工事故； 施工力學(xué)與控制

在我國(guó)的道路橋梁交通事業(yè)發(fā)展的同時(shí)，由工程質(zhì)量問(wèn)題引起的橋梁裂縫、垮塌事故不容忽視，橋梁施工質(zhì)量問(wèn)題不僅影響道路交通的正常運(yùn)行，還給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大的隱患。因此，施工單位和相關(guān)部門(mén)應(yīng)提高對(duì)橋梁施工質(zhì)量的重視，采用必要的施工質(zhì)量控制措施，確保工程質(zhì)量滿足工程的正常使用需求。

對(duì)于橋梁工程施工事故的等級(jí)劃分有以下規(guī)定：由于質(zhì)量問(wèn)題引起的安全事故，經(jīng)濟(jì)損失不超過(guò)20萬(wàn)元的屬于一般質(zhì)量問(wèn)題；工程質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)重不符，需要修補(bǔ)措施，且導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失在20～300萬(wàn)之間的，被界定為一般質(zhì)量事故。根據(jù)經(jīng)濟(jì)損失數(shù)目的不同，可將質(zhì)量指事故分為三個(gè)等級(jí)，損失金額在20～50萬(wàn)之間的為三級(jí)質(zhì)量事故；損失金額在50～150萬(wàn)之間的為二級(jí)質(zhì)量事故，損失金額在150～300萬(wàn)之間的為一級(jí)質(zhì)量事故。若工程出現(xiàn)嚴(yán)重的責(zé)任過(guò)失，以致出現(xiàn)橋梁倒塌、報(bào)廢甚至出現(xiàn)人員傷亡的，被評(píng)定為重大質(zhì)量事故。工程出現(xiàn)特大型主體結(jié)構(gòu)垮塌、工程事故中導(dǎo)致死亡人數(shù)超過(guò)30人或者經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1 000萬(wàn)的，為一級(jí)重大質(zhì)量事故；工程事故導(dǎo)致死亡人數(shù)在10～29人之間、導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失金額在500～1 000萬(wàn)之間或者存在大型橋梁主體垮塌現(xiàn)象的，為二級(jí)重大質(zhì)量事故；工程事故存在人員傷亡，但傷亡人數(shù)小于10人、經(jīng)濟(jì)損失在50～300萬(wàn)之間或出現(xiàn)中小型橋梁主體結(jié)構(gòu)垮塌現(xiàn)象的，為三級(jí)重大質(zhì)量事故。

1 大型橋梁工程施工中導(dǎo)致安全事故的主要因素

工程施工前沒(méi)有進(jìn)行充分的調(diào)查分析、缺乏科學(xué)施工方案的設(shè)計(jì)、施工工藝不合理、施工材料不符合工程施工要求、施工過(guò)程監(jiān)管工作不到位、后期缺乏必要養(yǎng)護(hù)工作等，都是導(dǎo)致橋梁工程施工安全事故的主要因素。以下以近年來(lái)我國(guó)在大型橋梁施工中出現(xiàn)的安全事故為例，對(duì)出現(xiàn)安全事故的原因進(jìn)行分析。

1.1 湖南鳳凰縣堤溪沱大橋

2007年湖南鳳凰縣堤溪沱大橋坍塌事故引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。在湖南湘西土家族鳳凰縣堤溪沱大橋的施工中，橋體發(fā)生坍塌，直接導(dǎo)致64人失去生命，22人重傷，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3 900萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)多方事故調(diào)查研究，最終確定事故是由施工中的違規(guī)行為導(dǎo)致的。在該橋梁工程施工中，施工單位和建設(shè)單位為了節(jié)約成本，提高施工效率，不顧工程實(shí)際需要，盲目趕工期，施工過(guò)程混亂，監(jiān)管部門(mén)監(jiān)管工作不到位，設(shè)計(jì)單位沒(méi)有做好技術(shù)交底工作，導(dǎo)致整個(gè)工程質(zhì)量與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不符，橋體主拱圈主體材料不符合施工標(biāo)準(zhǔn)要求，拱橋上部構(gòu)造的施工工序不合理，拱圈砌體的強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到工程要求；在施工負(fù)荷的不斷累積下，1號(hào)孔主拱圈在距離0號(hào)橋臺(tái)較近的一側(cè)出現(xiàn)了3～4 m的坍塌范圍，在連拱效應(yīng)的影響下，整個(gè)大橋出現(xiàn)了坍塌事故。

大跨徑石拱橋自重很大，與此相比，側(cè)向推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拱橋自重的多倍，在工程施工結(jié)束后，腳手架一旦拆除，地面和橋的兩端就會(huì)完全承受大橋的自重和側(cè)向推力，因腳手架的拆除是工程施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在拆除腳手架的危險(xiǎn)期，要待拱橋達(dá)到預(yù)定的強(qiáng)度后方可進(jìn)行，而且腳手架拆除時(shí)要遵循一定的操作順序，幾個(gè)支點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行拆除，保證拆除平衡，以免由于石拱受力不均導(dǎo)致拱圈推力失衡而引起連環(huán)倒塌事故。在湖南鳳凰縣堤溪沱大橋施工中，由于工程施工結(jié)束后，將手腳架的拆除工作分給了不同的施工隊(duì)伍，拆除時(shí)沒(méi)有做到操作平衡，橋墩無(wú)法承受巨大的側(cè)向力而導(dǎo)致一端出現(xiàn)斷裂，進(jìn)而引發(fā)全橋倒塌的重大安全事故。

1.2 廣東增槎路高橋支架坍塌

2004年廣東省廣青高速公路施工中，增槎路高架橋出現(xiàn)了坍塌事故，引起3人死亡、7人受傷的悲劇。經(jīng)事故調(diào)查分析得出結(jié)論：支撐棚架不穩(wěn)是導(dǎo)致這起工程安全事故的主要原因。致使棚架不穩(wěn)主要有以下因素：首先，支撐棚架的受力計(jì)算不準(zhǔn)確，導(dǎo)致立桿之間單位距離、橫桿高度等設(shè)計(jì)不合理；其次，支撐棚架質(zhì)量不符合工程標(biāo)準(zhǔn)要求，承載力不夠，導(dǎo)致支架出現(xiàn)坍塌。

1.3 重慶南門(mén)大橋斷裂事件

2001年重慶南門(mén)大橋出現(xiàn)了斷裂，此次事故中沒(méi)有人員傷亡。重慶南門(mén)大橋是一座提籃式的跨江大橋，主橋跨徑超過(guò)500 m。從事故發(fā)生的情況來(lái)看，此次倒塌事故是由主橋與引橋受力不均導(dǎo)致的，斷點(diǎn)恰好出現(xiàn)在二者的結(jié)合點(diǎn)處，此處也正是吊橋動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的結(jié)合點(diǎn)，在受力不均的情況下，致使橋的一側(cè)出現(xiàn)垮塌，橋面的支撐轉(zhuǎn)移到另一邊。由于承載力不足而發(fā)生波浪形擺動(dòng)，超過(guò)承載極限后，另一邊也出現(xiàn)垮塌。通常中承式拱橋、拱圈附近的吊桿較短，而中間位置的吊桿較長(zhǎng)，其線剛度較大，應(yīng)付變形能力不強(qiáng)，在受力較大的情況下極易出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致整個(gè)橋體坍塌。

1.4 深圳鹽壩高架引橋坍塌

2000年，深圳的一座鹽壩高架引橋出現(xiàn)了坍塌，雖然沒(méi)有造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，但是造成了該工程效益損失，影響了道路交通的正常運(yùn)行。事故調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)引橋的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重的問(wèn)題，而且施工中采用的施工方法和施工工藝不符合工程實(shí)際需要。在出現(xiàn)坍塌的第七跨在支架設(shè)計(jì)中沒(méi)有設(shè)計(jì)橫向的剪刀撐，而縱向只是設(shè)置了少量剪刀撐，導(dǎo)致支架穩(wěn)定性不強(qiáng)。施工中的測(cè)量工作不精確，立桿垂直高度誤差較大，有些扣件沒(méi)有擰緊，水平桿件的搭接不合理，影響支架整體穩(wěn)定性。

此外，1998年發(fā)生的招寶山大橋主梁斷裂事件、1999年重慶基江步行橋坍塌事故以及2005年遵義公路大橋垮塌事故等都是由施工過(guò)程不當(dāng)引起的。因此施工中，對(duì)工程橋梁進(jìn)行科學(xué)的力學(xué)分析研究以及嚴(yán)格施工管理是十分重要的。

2 大型橋梁結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問(wèn)題研究

大型橋梁施工過(guò)程復(fù)雜，施工難度較大，氣候環(huán)境、施工材料、施工精度等都會(huì)影響施工效果。施工中，為了確保橋梁工程的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的力學(xué)分析是十分必要的。

2.1 大型橋梁結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)分析

工程結(jié)構(gòu)分析是工程結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)保證，施工中，需要對(duì)各個(gè)階段橋梁的受力狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，得到結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算的精確數(shù)據(jù)來(lái)反映整個(gè)施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力行為，以此為依據(jù)確定出結(jié)構(gòu)各個(gè)階段的理想狀態(tài)來(lái)指導(dǎo)施工。目前常用的橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法有正裝分析法、倒裝分析法，大型橋梁施工中常將二種方法結(jié)合使用。

2.2 大型橋梁施工力學(xué)的主要問(wèn)題

2.2.1 施工中存在的不確定性

與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的力學(xué)設(shè)計(jì)有所不同，施工階段的力學(xué)過(guò)程復(fù)雜，存在一系列的不確定因素，需要做好前期的基礎(chǔ)調(diào)查工作。充分考慮到基礎(chǔ)條件、負(fù)載、支架連接等的不確定性后，方可進(jìn)行臨時(shí)支架的計(jì)算。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的力學(xué)分析也是如此，結(jié)構(gòu)體系、材料特性、構(gòu)造細(xì)節(jié)等的不確定性分析是力學(xué)計(jì)算前的必要工作。

2.2.2 結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換

結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換是大型橋梁施工中需要面臨的主要問(wèn)題，施工中由于程序不同會(huì)產(chǎn)生施工內(nèi)外力、拉張應(yīng)力引起的次應(yīng)力、溫度變化或混凝土收縮等產(chǎn)生的次應(yīng)力，這些都是結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時(shí)需要計(jì)算的量。整個(gè)過(guò)程中涉及到多次體系轉(zhuǎn)換，而且鋼束預(yù)加力處于不斷變化中，計(jì)算過(guò)程十分繁瑣。等效負(fù)載法是體系轉(zhuǎn)換計(jì)算中常用的方法，計(jì)算時(shí)要將混凝土與鋼束進(jìn)行單獨(dú)的考慮。值得注意的是，在設(shè)計(jì)體系轉(zhuǎn)換順序時(shí)，要將連續(xù)梁進(jìn)行合理布局，確保該體系的內(nèi)力合理分布，同時(shí)最大限度降低次內(nèi)力產(chǎn)生的影響。

對(duì)于連續(xù)鋼構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土或桁式組合拱橋來(lái)說(shuō)，通常的施工都面臨體系轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，例如通過(guò)懸臂澆筑法施工的大跨徑連接結(jié)構(gòu)，要由靜定懸臂鋼構(gòu)狀態(tài)經(jīng)過(guò)一系列的合龍過(guò)程形成橋狀的超靜定結(jié)構(gòu)。在體系轉(zhuǎn)換結(jié)束后，需要在合龍梁段上對(duì)連續(xù)預(yù)應(yīng)力束實(shí)施拉張拉操作，以上操作是在超靜定體系上進(jìn)行的。

橋梁的靜定平衡體系會(huì)隨著施工的進(jìn)行而發(fā)生變化，在實(shí)際的施工中，受多方因素的影響，結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力分布狀態(tài)會(huì)與原有設(shè)計(jì)分布情況有所差異，因此需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。例如，錢(qián)塘江二橋體系轉(zhuǎn)換時(shí)是將兩個(gè)相鄰的墩上的T結(jié)構(gòu)合攏成Ⅱ結(jié)構(gòu)，再按由近至遠(yuǎn)的順序?qū)ⅱ蚪Y(jié)構(gòu)由中間至兩端進(jìn)行合攏，盡量將施工誤差集中到岸邊，便于后期處理。

根據(jù)簡(jiǎn)支梁的受力情況來(lái)確定第一次預(yù)應(yīng)力筋的張拉錨固，安裝結(jié)束后要進(jìn)行位置調(diào)整、墩頂接頭澆筑、支座等一系列操作，緊接著進(jìn)行二次預(yù)應(yīng)力筋的張拉錨固，操作方法與一次預(yù)應(yīng)力筋的方法一致，這樣混凝土的連續(xù)施工就完成了。主連續(xù)梁在形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)時(shí)，主梁接頭采用的是普通鋼筋混凝土，在負(fù)載不變的情況下，通常呈簡(jiǎn)支架受力狀態(tài)，在負(fù)載變化時(shí)，呈現(xiàn)出連接梁的受力特點(diǎn)。

2.3 荷載組合分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力與局部應(yīng)力的選定

大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的施工工藝較多，對(duì)施工技術(shù)水平要求嚴(yán)格，在對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，要考慮到所有的負(fù)載工況以及它們同時(shí)發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的疊加效應(yīng)，是否使得梁體的應(yīng)力超出了能夠承受的應(yīng)力極限值，所以要在恒載、活載、溫度驟降、基礎(chǔ)不均勻沉降的條件下進(jìn)行負(fù)載設(shè)計(jì)。此外，還要仔細(xì)分析橋梁構(gòu)建的細(xì)部，確保局部構(gòu)件質(zhì)量符合工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，避免由于局部構(gòu)建損傷導(dǎo)致的橋梁損壞。

在大跨徑橋梁頂板具備橫向預(yù)應(yīng)力束時(shí)，頂板與腹板的結(jié)處作為控制設(shè)計(jì)斷面，為了確保工程施工的精確性，要考慮到溫度應(yīng)力的變化，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固端兩側(cè)以及危險(xiǎn)界面進(jìn)行驗(yàn)算。加拿大格朗梅爾大橋施工時(shí)正是由于忽略了溫度應(yīng)力的影響導(dǎo)致橋梁跨中出現(xiàn)了彎矩。

2.4 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型修正技術(shù)

在大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)控中，要依靠有限元建模技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的控制。有限元建模作為一種新型的技術(shù)在大型工程施工中得到了廣泛的應(yīng)用，高技術(shù)能夠?yàn)槭┕ぶ械慕Y(jié)構(gòu)分析工作提供完整的理論參數(shù)集，由于得到的參數(shù)通常會(huì)與實(shí)際結(jié)構(gòu)得到的參數(shù)存在差異，所以要對(duì)理論模型做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和修正，使二者保持一致。將實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)所反映出來(lái)的記錄與模型計(jì)算結(jié)構(gòu)做出科學(xué)的對(duì)比分析的過(guò)程稱為模型修正，通過(guò)直接或間接得到的參數(shù)來(lái)作為數(shù)據(jù)修正的主要參考依據(jù)，來(lái)修正模型中的信息量，獲得結(jié)構(gòu)變化的整體信息。

模型修正法主要包括3種：

1)矩陣型法。矩陣型法是模型矩陣修正的常用方法，此方法的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、簡(jiǎn)便易操作，但是所修正的模型的物理意義不明確，沒(méi)有保持原有限元模型帶狀的特點(diǎn)。

2)子矩陣修正法。該方法最突出的特點(diǎn)是能夠保持修正后剛度矩陣的對(duì)稱性和稀疏性，在對(duì)待修正的子矩陣或單元矩陣進(jìn)行修正系數(shù)的定義時(shí)，通過(guò)調(diào)整子矩陣修正系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)整。

3)靈敏度法。該方法是利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的修正來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)有限元模型的修正。由于大型橋梁屬于非線性問(wèn)題，因此靈敏度法適用于大型橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正，從敏感分析的中間結(jié)果可以反映出參數(shù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

2.5 可視化技術(shù)在施工演示分析中的應(yīng)用

采用先進(jìn)的虛擬技術(shù)搭建的模擬環(huán)境系統(tǒng)能夠更直觀地得到實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的差距，隨時(shí)了解施工情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中出現(xiàn)的問(wèn)題并采取相應(yīng)的解決措施，有效地控制施工過(guò)程，提高工程施工質(zhì)量。大型連接橋梁的理想后退分析、實(shí)時(shí)前進(jìn)分析等都是橋梁施工中的必要工作，首先建立有限元結(jié)構(gòu)分析施工階段模型，再將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)信息、邊界條件等參數(shù)輸入到模型中。在可視化技術(shù)的應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)倒拆動(dòng)態(tài)、結(jié)構(gòu)理想施工線性、施工主要梁形心線的設(shè)計(jì)曲線和實(shí)測(cè)擬合曲線等的演示，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制和動(dòng)態(tài)演示。

3 結(jié) 語(yǔ)

大型橋梁施工過(guò)程復(fù)雜，施工中的影響因素眾多，需要采取有效的質(zhì)量控制措施，加強(qiáng)施工過(guò)程的監(jiān)督管理，規(guī)范施工過(guò)程。通過(guò)歷年來(lái)橋梁工程出現(xiàn)的安全事故可以看出，施工過(guò)程的力學(xué)分析是十分重要的，因此設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理部門(mén)應(yīng)提高重視程度，共同做好施工質(zhì)量的控制工作，確保工程質(zhì)量。

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Large Bridge Construction Accidents and the Construction Mechanics Issues

LU Xu-ri，JIANG Can-can

(Zhejiang Zhengfang Traffic Construction Co,Ltd，Jinhua 321025，China)

Based on the analyses of several large-scale bridge collapse accident,this paper summed up some mechanical problems should be paid attention in the process of construction ,to the greatest extent ensure the construction quality and construction safety.There shoud be perfected in the construction monitoring.

large brige; construction accident; construction mechanics and control

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.012

2014-11-15.

陸旭日(1978-)，工程師.E-mail:luxuri@163.com